絞吸式挖泥船疏浚中泥沙懸浮輸送的數(shù)值模擬

夏　波，楊　剛，陳紹文，黃筱云

(1.長沙理工大學，湖南　長沙　410114；2.廣東金東海集團有限公司，廣東　汕頭　515041)

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絞吸式挖泥船疏浚中泥沙懸浮輸送的數(shù)值模擬

夏波1，楊剛1，陳紹文2，黃筱云1

(1.長沙理工大學，湖南長沙410114；2.廣東金東海集團有限公司，廣東汕頭515041)

夏波(1981—)，博士，講師，主要從事水流泥沙運動及其環(huán)境效應研究；

楊剛(1992—)，研究生，從事水流泥沙運動數(shù)值模擬研究；

陳紹文(1964—)，高級工程師，從事疏浚工程施工與優(yōu)化研究；

黃筱云(1980—)，講師，從事波浪運動數(shù)值模擬研究。

摘要：為了合理描述絞吸式挖泥船疏浚施工對泥沙懸浮擴散的影響，文章將絞吸式挖泥船疏浚施工引起的泥沙再懸浮源強計算公式引入水流泥沙數(shù)學模型中，并將該模型應用于天津海濱旅游區(qū)臨海新城吹填項目中，計算分析了疏浚施工作業(yè)過程中泥沙懸浮擴散的強度及范圍，為進一步采取工程措施降低疏浚泥沙再懸浮對環(huán)境的影響提供了技術支持。

關鍵詞：絞吸式挖泥船；疏浚；泥沙再懸??；再懸浮源強；數(shù)值模擬

0引言

疏浚作業(yè)是港口、航道與海岸工程中最常見的工程技術手段之一，被廣泛應用于改善港口及航道通航條件、防止水庫河道淤塞、開采水下礦物、利用泥沙形成陸域等方面。近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，大量污

染物進入水體中，吸附在懸浮顆粒上運動遷移，并最終沉積在水底床面，形成一定厚度的污染底泥，成為影響水環(huán)境質量、威脅用水安全的又一重要污染源。因此，在增加港口、航道水深的同時，疏浚作業(yè)也會引起局部水域懸浮泥沙濃度顯著增加，甚至釋放出毒害物質使水體遭受污染，給水體生態(tài)環(huán)境帶來不利影響。

一方面，疏浚施工使得已沉積的泥沙顆粒及絮凝體在水流作用下再次運動和擴散至水體中。在疏浚機具的切削作用下，施工地點的底泥顆粒迅速脫離床面，其中：絕大部分被疏浚設備輸送轉移至其他位置；部分沉速較大的粗顆粒泥沙在疏浚地點迅速沉降至床面；少部分沉速較小的細顆粒泥沙將在水體中較長時間保持懸浮狀態(tài)，在水流作用下運動和擴散至較大范圍。

另一方面，沉積在床面的底泥顆粒尤其是細顆粒泥沙吸附著大量的污染物，在疏浚施工過程中懸浮至水體后將解吸釋放污染物至水體中，而水流作用將使得再懸浮顆粒進一步輸送和擴散，在更大范圍水域內造成污染物的大量釋放，其影響范圍及程度取決于泥沙顆粒的物理化學性質、再懸浮總量及輸移運動范圍。

從疏浚施工引起局部水域懸浮泥沙濃度和相關污染物濃度增加的影響因素來看，準確計算疏浚作業(yè)引起的泥沙再懸浮及污染物釋放取決于如下三個關鍵過程：(1)疏浚施工引起的泥沙再懸浮強度；(2)懸浮泥沙解吸釋放污染物；(3)懸浮泥沙及污染物在水動力作用下的遷移運動。有部分學者研究了疏浚過程中的泥沙懸浮擴散現(xiàn)象，但是由施工引起的泥沙懸浮強度多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，不能反映施工工藝及參數(shù)對泥沙懸浮擴散的影響。本文基于疏浚再懸浮源強計算公式和水動力數(shù)學模型，建立了能準確描述疏浚工程中泥沙懸浮輸送的平面二維數(shù)學模型，模型能合理描述不同疏浚過程中泥沙懸浮擴散的強度及范圍，可為疏浚施工提供參考。

1疏浚過程中泥沙懸浮輸送的數(shù)學模型

1.1控制方程

1.1.1水流運動方程

在笛卡兒直角坐標系下，平面二維水流數(shù)學模型采用沿水深積分的時均連續(xù)方程和運動方程，其表達式為：

(1)

(2)

(3)

式中：t——時間；

x、y——分別為x軸和y軸方向；

ζ——從平均海平面起算的水位高度；

U、V——分別表示x和y方向垂向平均流速；

H——總水深；

f——科氏力系數(shù)；

ps——表面大氣壓力；

ρ0——水密度；

g——重力加速度；

(η+γ)——牛頓潮勢和固體潮作用；

τsx、τsy——風應力和波浪輻射應力的x和y向分量；

τbx和τby、Dx和Dy、Bx和By分別代表底部切應力、擴散項以及斜壓梯度的x和y向分量。

1.1.2泥沙運動方程

在笛卡爾直角坐標系下，泥沙輸送的二維數(shù)學模型控制方程為：

(4)

式中：h——水深；

Si——第i組分的垂線平均含沙量；

S——水動力作用下的挾沙能力；

u、v——分別為沿x方向和y方向的流速；

Dxx、Dyy——分別為x方向和y方向的擴散系數(shù)；

α——沉降幾率或恢復飽和系數(shù)；

RS——疏浚工程引起的泥沙再懸浮源強。

1.1.3疏浚過程中泥沙再懸浮源強計算公式

疏浚作業(yè)導致河床底泥在移除的過程中向水體中懸浮和擴散，懸浮強度與沉積物特性、現(xiàn)場水文地質特征以及施工情況相關，目前，可采用的特定預測模型有中井TGU法[1]、柯林斯模型[2]、海耶斯模型[3]。

本研究采用Collins模型計算分析絞吸式挖泥船疏浚作業(yè)引起的泥沙再懸浮的強度，Collins(1995)分析整理了美國陸軍工程兵團一系列疏浚項目的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，認為底泥再懸浮與泥沙特性、挖泥船類型、施工特征及參數(shù)密切相關，針對絞吸式挖泥船提出了如下計算公式：

(5)

式中：RS——泥沙再懸浮率(kg/s)；

ρ——泥沙干密度(kg/m3)；

FF、FD——分別為根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)所得的回歸參數(shù)，F(xiàn)F與鉸刀尺寸和泥沙中值粒徑相關，F(xiàn)D與鉸刀尺寸和鉸刀切割厚度相關；

Vs——鉸刀擺動速度(m/s)；

Vi——吸泥管吸泥速度(m/s)；

Vt——鉸刀刀鋒速度(m/s)；

Dch——鉸刀直徑(m)；

Lch——鉸刀長度(m)；

1.2數(shù)值方法

采用有限單元法和有限差分法相結合的辦法來求解，在空間上采用有限單元法，利用三角形網(wǎng)格進行離散，以適應復雜的邊界條件，較好地描述岸線以及近岸地形變化。時間上則采用有限差分法以提高計算速度，采用半隱式法來求解方程。

2模型應用

2.1研究內容

天津濱海旅游區(qū)的臨海新城是天津濱海新區(qū)的八大功能區(qū)之一，是一個典型的圍海造地項目，規(guī)劃陸域面積7 km2，全為疏浚吹填項目。為研究吹填疏浚作業(yè)引起局部海域泥沙濃度增加的影響范圍和程度，本研究根據(jù)當?shù)厮臈l件，建立了潮汐水動力學數(shù)學模型來模擬工程所在海域的流場流態(tài)，在此基礎上，根據(jù)工程的施工進度安排和施工方案，建立疏浚再懸浮影響下的泥沙運動數(shù)學模型，模擬計算了不同潮動力條件下絞吸式挖泥船疏浚作業(yè)時泥沙再懸浮強度、懸浮泥沙的輸移擴散范圍。本研究模擬了兩個不同工況：(1)工況1，擺動速度0.3 m/s，轉速20 rpm，源強4.05 kg/s；(2)工況2，擺動速度0.3 m/s，轉速30 rpm，源強11.44 kg/s。

2.2計算結果分析

2.2.1流場流態(tài)計算結果

為研究天津海濱旅游區(qū)臨海新城附近水域的水動力特性，建立了平面二維潮流數(shù)學模型，采用2005年4月2～3日在天津港附近海域所采集的全潮水文觀測數(shù)據(jù)(測點如圖1所示)對模型進行驗證，潮位、流速和流向驗證結果如圖2所示。由圖2可知，數(shù)學模型計算結果與實測結果有較好的一致性，所建模型較好地反映了工程海域的潮流流動規(guī)律。

圖1　2005年4月全潮水文測站布置示意圖

(a)潮位計算結果與實測值

(b)1#測站流速流向計算結果

(c)2#測站流速流向計算結果與實測值

(d)3#測站流速流向計算結果與實測值

2.2.2泥沙再懸浮影響范圍及程度

以泥沙濃度增幅>0.05 kg/m3作為疏浚施工的影響范圍，圖3為疏浚施工作業(yè)1 d引起的泥沙再懸浮影響范圍及程度示意圖，從計算結果來看，疏浚施工引起的泥沙再懸浮及輸移擴散范圍位于吹填區(qū)域圍堤附近，對應工況1，影響范圍沿岸線方向約1.0 km，垂直岸線方向約2.0 km，泥沙濃度最大增量約0.25 kg/m3；對應工況2，影響范圍沿岸線方向約2.0 km，垂直岸線方向約3.0 km，泥沙濃度最大增量約0.48 kg/m3。

(a)工況1源強4.05 kg/s

(b)工況2，源強11.44 kg/s

3結語

為合理描述疏浚過程中不同施工方法及參數(shù)情況下泥沙懸浮的強度，本文將疏浚再懸浮源強的計算公式引入水流泥沙數(shù)學模型中，建立了能準確描述疏浚工程中泥沙懸浮輸送的平面二維數(shù)學模型，計算分析了天津海濱旅游區(qū)臨海新城吹填項目疏浚施工作業(yè)過程中泥沙懸浮擴散的強度及范圍，為進一步采取工程措施降低疏浚泥沙再懸浮對環(huán)境的影響提供了技術支持。

參考文獻

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[2]Collins，M.A.Dredging-induced near-field resuspended sediment concentrations and source strengths[D].Vicksburg，MS：U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station，1995.

[3]Hayes，D.F.，T.R.Crockett，T.J.Ward，and D.Averett.Sediment resuspension during cutterhead dredging operations[J].Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，2000，126(3)：153-161.

Numerical Simulation of Suspended Sediment Transport During the Dredging of Cutter-suction Dredger

XIA Bo1，YANG Gang1，CHEN Shao-wen2，HUANG Xiao-yun1

(1.Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan，410114；2.Guangdong Jind-onghai Group Co.，Ltd.，Shantou，Guangdong，515041)

Abstract：In order to reasonably describe the impact of dredging construction by cutter-suction dredger on sediment suspended diffusion，this article introduced the sediment resuspension source intensity calculation formula caused by dredging construction of cutter-suction dredger into the water-flow sedi-ment mathematical model，and applied this model to the Waterfront New City reclamation project of Tianjin Seaside Tourist Area，calculated and analyzed the strength and scope of suspended sediment diffusion during the dredging operations，thereby providing the technical support for taking further engi-neering measures to reduce the environment impact by dredging sediment resuspension.

Keywords：Cutter-suction dredger；Dredging；Sediment resuspension；Resuspension source intensity；Numerical simulation

收稿日期：2016-02-03

文章編號：1673-4874(2016)02-0096-05

中圖分類號：U616

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.022

作者簡介